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Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 4.2Z: About the Sampling Theorem"

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{{quiz-Header|Buchseite=Modulationsverfahren/Pulscodemodulation
+
{{quiz-Header|Buchseite=Modulation_Methods/Pulse_Code_Modulation
 
}}
 
}}
  
[[File:P_ID1610__Mod_Z_4_2.png|right|frame|Harmonische Schwingungen unterschiedlicher Phase]]
+
[[File:P_ID1610__Mod_Z_4_2.png|right|frame|Harmonic oscillations of different phase]]
Das  [[Signal_Representation/Time_Discrete_Signal_Representation#Das_Abtasttheorem|Abtasttheorem]]  besagt, dass die Abtastfrequenz  fA=1/TA  mindestens doppelt so groß sein muss wie die größte im Quellensignal  $q(t)$  enthaltene Frequenz  $f_\text {N, max}$:
+
The  [[Signal_Representation/Discrete-Time_Signal_Representation#Sampling_theorem|sampling theorem]]  states that the sampling frequency  fA=1/TA  must be at least twice as large as the largest frequency  $f_\text {N, max}$  contained in the source signal  $q(t)$:
 
:fA2fN,maxTA12fN,max.
 
:fA2fN,maxTA12fN,max.
Wird diese Bedingung erfüllt, so kann beim Empfänger das Nachrichtensignal durch einen rechteckförmigen (idealen) Tiefpass mit dem Frequenzgang
+
If this condition is met,  then at the receiver the message signal can be passed through a rectangular  (ideal)  low-pass filter with frequency response
 
:H(f)={11/20f¨urf¨urf¨ur|f|<fG,|f|=fG,|f|>fG
 
:H(f)={11/20f¨urf¨urf¨ur|f|<fG,|f|=fG,|f|>fG
vollständig rekonstruiert werden, das heißt, es gilt dann&nbsp; v(t)=q(t).  
+
can be completely reconstructed, that is, it is then&nbsp; v(t)=q(t).  
*Die Grenzfrequenz&nbsp; fG&nbsp; ist dabei gleich der halben Abtastfrequenz zu wählen.  
+
*The cutoff frequency&nbsp; fG&nbsp; is to be chosen equal to half the sampling frequency.  
*Das Gleichheitszeichen gilt allgemein nur dann, wenn das Spektrum&nbsp; Q(f)&nbsp; keine diskrete Spektrallinie bei der Frequenz&nbsp; fN, max&nbsp; beinhaltet.
+
*The equal sign is generally valid only if the spectrum&nbsp; Q(f)&nbsp; does not contain a discrete spectral line at frequency&nbsp; fN, max.
  
  
In dieser Aufgabe werden drei verschiedene Quellensignale betrachtet, die sich jeweils als harmonische Schwingung
+
In this exercise,&nbsp; three different source signals are considered,&nbsp; each of which can be expressed as a harmonic oscillation
 
:q(t)=Acos(2πfNtφ)
 
:q(t)=Acos(2πfNtφ)
mit der Amplitude&nbsp; $A = 1\ \rm V$&nbsp; und der Frequenz&nbsp; $f_{\rm N}= 5 \ \rm kHz$&nbsp; darstellen lassen.&nbsp; Für die Spektralfunktion&nbsp; Q(f)&nbsp; aller dargestellten Zeitsignale gilt allgemein:
+
with amplitude&nbsp; A=1 V&nbsp; and frequency&nbsp; fN=5 kHz.&nbsp; For the spectral function&nbsp; Q(f)&nbsp; of all represented time signals generally holds:
 
:Q(f)=A2δ(ffN)ejφ+A2δ(f+fN)e+jφ.
 
:Q(f)=A2δ(ffN)ejφ+A2δ(f+fN)e+jφ.
Die in der Grafik skizzierten Schwingungen unterscheiden sich allein durch die Phase&nbsp; φ:
+
The oscillations sketched in the graph differ only by the phase&nbsp; φ:
* φ_1 = 0 &nbsp; ⇒ &nbsp; Cosinussignal q_1(t),
+
* φ_1 = 0 &nbsp; ⇒ &nbsp; cosine signal&nbsp; q_1(t),
* $φ_2 = π/2 \ (= 90^\circ)$ &nbsp; ⇒ &nbsp; Sinussignal q_2(t),
+
* φ_2 = π/2 \ (= 90^\circ) &nbsp; ⇒ &nbsp; sinusoidal signal&nbsp; q_2(t),
* $φ_3 = π/4 \ (= 45^\circ)$ &nbsp; ⇒ &nbsp; Signal q_3(t).
+
* φ_3 = π/4 \ (= 45^\circ) &nbsp; ⇒ &nbsp; signal&nbsp; q_3(t).
  
  
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+
Hints:  
 
+
*The exercise belongs to the chapter&nbsp; [[Modulation_Methods/Pulse_Code_Modulation|"Pulse Code Modulation"]].
''Hinweise:''
+
*Reference is made in particular to the page&nbsp; [[Modulation_Methods/Pulse_Code_Modulation#Sampling_and_signal_reconstruction|"Sampling and Signal Reconstruction"]].
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel&nbsp; [[Modulation_Methods/Pulscodemodulation|Pulscodemodulation]].
+
*The sampled source signal is denoted by&nbsp; q_{\rm A}(t)&nbsp; and its spectral function by&nbsp; Q_{\rm A}(f).&nbsp;  
*Bezug genommen wird insbesondere auf die Seite&nbsp; [[Modulation_Methods/Pulscodemodulation#Abtastung_und_Signalrekonstruktion|Abtastung und Signalrekonstruktion]].
+
*Sampling is always performed at&nbsp; $ν \cdot T_{\rm A}$.
*Das abgetastete Quellensignal wird mit&nbsp; q_{\rm A}(t)&nbsp; bezeichnet und dessen Spektralfunktion mit&nbsp; Q_{\rm A}(f).&nbsp;  
 
*Die Abtastung erfolgt stets bei&nbsp; $ν · T_{\rm A}$.
 
 
   
 
   
  
===Fragebogen===
+
===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Welche Aussagen gelten mit &nbsp;$f_{\rm A} = 11\ \rm kHz$?
+
{Which statements are valid with &nbsp;f_{\rm A} = 11\ \rm kHz?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ Das Abtasttheorem wird stets erfüllt.
+
+ The sampling theorem is always satisfied.
+ Alle Signale können durch einen Tiefpass rekonstruiert werden.
+
+ All signals can be reconstructed by a low-pass filter.
+ Es gilt stets &nbsp;$Q_{\rm A}(f = 5 \ {\rm kHz}) = Q(f = 5 \ \rm kHz)$.
+
+ It is always true: &nbsp;Q_{\rm A}(f = 5 \ {\rm kHz}) = Q(f = 5 \ \rm kHz).
  
  
{Welcher Abtastabstand ergibt sich mit &nbsp;$f_{\rm A} = 10\ \rm kHz$?
+
{What sampling distance results with &nbsp;f_{\rm A} = 10\ \rm kHz?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
T_{\rm A} \ = \ { 0.1 3% } \ \rm ms  
 
T_{\rm A} \ = \ { 0.1 3% } \ \rm ms  
  
{Welche Aussagen gelten für das Signal &nbsp;q_1(t)&nbsp; und &nbsp;$f_{\rm A} = 10\ \rm kHz$?  
+
{Which statements are valid for the signal &nbsp;q_1(t)&nbsp; and &nbsp;f_{\rm A} = 10\ \rm kHz?  
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
- Es gilt &nbsp;$Q_{\rm A}(f = 5 \ {\rm kHz)} = Q_1(f = 5 \ \rm kHz)$.
+
- It holds &nbsp;Q_{\rm A}(f = 5 \ {\rm kHz)} = Q_1(f = 5 \ \rm kHz).
+ Eine vollständige Signalrekonstruktion ist möglich &nbsp; ⇒ &nbsp; v_1(t) = q_1(t).
+
+ A complete signal reconstruction is possible &nbsp; ⇒ &nbsp; v_1(t) = q_1(t).
- Das rekonstruierte Signal ist &nbsp;$v_1(t) \equiv 0$.
+
- The reconstructed signal is &nbsp;v_1(t) \equiv 0.
  
{Welche Aussagen gelten für das Signal &nbsp;q_2(t)&nbsp; und &nbsp;$f_{\rm A} = 10\ \rm kHz$?
+
{What statements hold for the signal &nbsp;q_2(t)&nbsp; and &nbsp;f_{\rm A} = 10\ \rm kHz?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
- Es gilt  &nbsp;$Q_{\rm A}(f = 5 \ {\rm kHz)} = Q_2(f = 5 \ \rm kHz)$.
+
- It holds &nbsp;Q_{\rm A}(f = 5 \ {\rm kHz)} = Q_2(f = 5 \ \rm kHz).
- Eine vollständige Signalrekonstruktion ist möglich &nbsp; ⇒ &nbsp; v_2(t) = q_2(t).
+
- A complete signal reconstruction is possible &nbsp; ⇒ &nbsp; v_2(t) = q_2(t).
+ Das rekonstruierte Signal ist &nbsp;v_2(t) \equiv 0.
+
+ The reconstructed signal is &nbsp;v_2(t) \equiv 0.
  
{Welche Aussagen gelten für das Signal &nbsp;q_3(t) und $f_{\rm A} = 10\ \rm kHz$?
+
{What statements hold for the signal &nbsp;q_3(t) and f_{\rm A} = 10\ \rm kHz?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
- Es gilt  &nbsp;$Q_{\rm A}(f = 5 \ {\rm kHz)} = Q_3(f = 5 \ \rm kHz)$.
+
- It holds &nbsp;Q_{\rm A}(f = 5 \ {\rm kHz)} = Q_3(f = 5 \ \rm kHz).
- Eine vollständige Signalrekonstruktion ist möglich &nbsp; ⇒ &nbsp; v_3(t) = q_3(t).
+
- A complete signal reconstruction is possible &nbsp; ⇒ &nbsp; v_3(t) = q_3(t).
- Das rekonstruierte Signal ist &nbsp;v_3(t) \equiv 0.
+
- The reconstructed signal is &nbsp;v_3(t) \equiv 0.
  
  
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; <u>Alle Aussagen</u> sind zutreffend:
+
'''(1)'''&nbsp; <u>All statements</u>&nbsp; are true:
[[File:P_ID1611__Mod_Z_4_2a.png|P_ID1611__Mod_Z_4_2a.png|right|frame|Spektralfunktion des abgetasteten Signals]]
+
[[File:P_ID1611__Mod_Z_4_2a.png|P_ID1611__Mod_Z_4_2a.png|right|frame|Spectral function of the sampled signal]]
* Das Abtasttheorem wird mit&nbsp; $f_{\rm A} = 11 \ \rm kHz > 2 · 5 \ \rm kHz$&nbsp; erfüllt, so dass eine vollständige Signalrekonstruktion immer möglich ist.  
+
*The sampling theorem is satisfied by&nbsp; $f_{\rm A} = 11 \ \rm kHz > 2 \cdot 5 \ \rm kHz$&nbsp; so that a complete signal reconstruction is always possible.  
*Das Spektrum&nbsp; Q_{\rm A}(f)&nbsp; ergibt sich aus&nbsp; Q(f)&nbsp; durch periodische Fortsetzung im jeweiligen Frequenzabstand&nbsp; f_{\rm A}, was in der Grafik für die Spektralfunktion&nbsp; Q_3(f)&nbsp; allgemein verdeutlicht wird.
+
*The spectrum&nbsp; Q_{\rm A}(f)&nbsp; results from&nbsp; Q(f)&nbsp; by periodic continuation at the respective frequency spacing&nbsp; f_{\rm A},&nbsp; which is generally illustrated in the graph.
*Durch einen Rechteck&ndash;Tiefpass mit&nbsp; $f_{\rm G} = f_{\rm A}/2 = 5.5 \ \rm kHz$&nbsp; erhält man das ursprüngliche Spektrum&nbsp; Q(f).
+
*By a rectangular low-pass with&nbsp; f_{\rm G} = f_{\rm A}/2 = 5.5 \ \rm kHz&nbsp; the original spectrum&nbsp; Q(f) is obtained.
  
  
Die Verschiebung um
+
The shift by
* $f_{\rm A} = 11 \ \rm kHz$&nbsp; liefert die Linien bei&nbsp; $+6 \ \rm kHz$ und $+16 \ \rm kHz$,
+
* f_{\rm A} = 11 \ \rm kHz&nbsp; yields the lines at&nbsp; +6 \ \rm kHz&nbsp; and&nbsp; +16 \ \rm kHz,
* $-f_{\rm A} = -11 \ \rm kHz$&nbsp; liefert die Linien bei&nbsp; $-6 \ \rm kHz$ und $-16 \ \rm kHz$,
+
* -f_{\rm A} = -11 \ \rm kHz&nbsp; yields the lines at&nbsp; -6 \ \rm kHz&nbsp; and&nbsp; -16 \ \rm kHz,
* $2 · f_{\rm A} = 22 \ \rm kHz$&nbsp; liefert die Linien bei&nbsp; $+17 \ \rm kHz$ und $+27 \ \rm kHz$,
+
* $2 - f_{\rm A} = 22 \ \rm kHz$&nbsp; yields the lines at&nbsp; +17 \ \rm kHz&nbsp; and&nbsp; +27 \ \rm kHz,
* $-2 · f_{\rm A}= -22 \ \rm kHz$&nbsp; liefert die Linien bei&nbsp; $-17 \ \rm kHz, -27 \ \rm kHz$.
+
* $-2 - f_{\rm A}= -22 \ \rm kHz$&nbsp; yields the lines at&nbsp; -17 \ \rm kHz, -27 \ \rm kHz.
  
  
  
'''(2)'''&nbsp; Der Abtastabstand ist gleich dem Kehrwert der Abtastfrequenz:
+
'''(2)'''&nbsp; The sampling distance is equal to the reciprocal of the sampling frequency:
 
: T_{\rm A} = {1}/{f_{\rm A} }\hspace{0.15cm}\underline { = 0.1\,{\rm ms}} \hspace{0.05cm}.
 
: T_{\rm A} = {1}/{f_{\rm A} }\hspace{0.15cm}\underline { = 0.1\,{\rm ms}} \hspace{0.05cm}.
  
  
  
'''(3)'''&nbsp; Richtig ist der <u>Lösungsvorschlag 2</u>:
+
'''(3)'''&nbsp; The correct solution is&nbsp; <u>suggestion 2</u>:
*Beim cosinusförmigen Signal ergibt sich entsprechend der nächsten Grafik mit&nbsp; f_{\rm A} = 10 \ \rm  kHz&nbsp; das Spektrum&nbsp; Q_{\rm A}(f):&nbsp; &nbsp; Alle Spektrallinien sind reell.
+
[[File:P_ID1612__Mod_Z_4_2c.png|P_ID1612__Mod_Z_4_2c.png|right|frame|Spectral function of the sampled cosine signal]]
*Die Periodifizierung von&nbsp; Q(f)&nbsp; mit&nbsp; f_{\rm A} = 10 \ \rm  kHz&nbsp; führt zu einem Diracpuls mit Spektrallinien bei&nbsp; ±f_{\rm N},&nbsp; ±f_{\rm N}± f_{\rm A},&nbsp; ±f_{\rm N}± 2f_{\rm A}, ...
 
*Durch die Überlagerungen haben alle Diracfunktionen das Gewicht&nbsp; A, während die beiden Spektrallinien von&nbsp; Q(f)&nbsp; nur jeweils mit&nbsp; A/2&nbsp; gewichtet sind.
 
*Wegen&nbsp; H(f = f_{\rm N}) = H(f = f_{\rm G}) = 0.5&nbsp; ist das Spektrum&nbsp; V_1(f)&nbsp; nach dem Tiefpass identisch mit&nbsp; Q_1(f)&nbsp; und dementsprechend gilt auch&nbsp; v_1(t) = q_1(t).
 
*Im Zeitbereich kann man sich die Signalrekonstruktion wie folgt vorstellen: &nbsp; Die Abtastwerte von&nbsp; q_1(t)&nbsp; liegen genau bei den Signalmaxima und –minima. &nbsp; 
 
*Der Tiefpass formt daraus das Cosinussignal mit richtiger Amplitude, Frequenz und Phase.  
 
  
 
+
*For the cosinusoidal signal,&nbsp; according to this graph with&nbsp; f_{\rm A} = 10 \rm \ kHz:&nbsp;  All spectral lines of&nbsp; Q_{\rm A}(f):&nbsp; are real.
[[File:P_ID1612__Mod_Z_4_2c.png|P_ID1612__Mod_Z_4_2c.png|center|frame|Spektralfunktion des abgetasteten Cosinussignals]]
+
*The periodization of&nbsp; Q(f)&nbsp; with&nbsp; f_{\rm A} = 10 \rm \ kHz&nbsp; leads to a Dirac comb with spectral lines at&nbsp; ±f_{\rm N},&nbsp; ±f_{\rm N}± f_{\rm A},&nbsp; ±f_{\rm N}± 2f_{\rm A}, . ..
 
+
*Through the superpositions,&nbsp; all Dirac functions have weight&nbsp; A,&nbsp; while the spectral lines of&nbsp; Q(f)&nbsp; are weighted only by&nbsp; A/2&nbsp; each.
 
+
*Because&nbsp; H(f = f_{\rm N}) = H(f = f_{\rm G}) = 0.5&nbsp; the spectrum&nbsp; V_1(f)&nbsp; after the low-pass is identical to&nbsp; Q_1(f) &nbsp; &rArr; &nbsp; v_1(t) = q_1(t).
[[File:P_ID1613__Mod_Z_4_2d.png|P_ID1613__Mod_Z_4_2d.png|right|frame|Abgetastetes Sinussignal]]
+
*In the time domain, the signal reconstruction can be thought of as follows: &nbsp; The samples of&nbsp; q_1(t)&nbsp; lie exactly at the signal maxima and minima. &nbsp; 
'''(4)'''&nbsp; Richtig ist der <u>Lösungsvorschlag 2</u>:
+
*The lowpass filter forms the cosine signal with correct amplitude, frequency and phase.  
*Alle Abtastwerte von&nbsp; q_2(t)&nbsp; liegen nun genau bei den Nulldurchgängen des Sinussignals, das heißt, dass hier&nbsp; q_{\rm A}(t) \equiv 0&nbsp; gilt.&nbsp; Damit ergibt sich aber natürlich auch&nbsp; v_2(t) \equiv 0.  
+
<br clear=all>
*Im Spektralbereich kann man das Ergebnis mit Hilfe der Grafik zur Teilaufgabe&nbsp; '''(1)'''&nbsp; herleiten. &nbsp; Q(f)&nbsp; ist rein imaginär und die Imaginärteile bei&nbsp; ±f_{\rm N}&nbsp; haben unterschiedliche Vorzeichen. &nbsp;  
+
[[File:P_ID1613__Mod_Z_4_2d.png|P_ID1613__Mod_Z_4_2d.png|right|frame|Sampled sine signal]]
*Somit heben sich bei der Periodifizierung jeweils ein positiver und ein negativer Anteil auf &nbsp; ⇒ &nbsp; Q_{\rm A}(f) \equiv 0 &nbsp; ⇒ &nbsp; V_2(f) \equiv 0.
+
'''(4)'''&nbsp; Correct is&nbsp; <u>suggested solution 2</u>:
 +
*All sampled values of&nbsp; q_2(t)&nbsp; now lie exactly at the zero crossings of the sinusoidal signal,&nbsp; which means that here&nbsp; q_{\rm A}(t) \equiv 0&nbsp; holds.&nbsp; However,&nbsp; this naturally also gives&nbsp; v_2(t) \equiv 0.  
 +
*In the spectral domain,&nbsp; the result can be derived using the graph for subtask&nbsp; '''(1)'''.&nbsp; <br>⇒ &nbsp;Q(f)&nbsp; is purely imaginary and the imaginary parts at&nbsp; ±f_{\rm N}&nbsp; have different signs. &nbsp;  
 +
*Thus,&nbsp; one positive and one negative part cancel each other in periodization &nbsp; <br>⇒ &nbsp; Q_{\rm A}(f) \equiv 0 &nbsp; ⇒ &nbsp; V_2(f) \equiv 0.
 
<br clear=all>
 
<br clear=all>
[[File:P_ID1614__Mod_Z_4_2e.png|P_ID1614__Mod_Z_4_2e.png|right|frame|Abgetastete harmonische Schwingung mit Phase&nbsp; φ_3 = π/4]]
+
[[File:P_ID1614__Mod_Z_4_2e.png|P_ID1614__Mod_Z_4_2e.png|right|frame|Sampled harmonic oscillation with phase&nbsp; φ_3 = π/4]]
'''(5)'''&nbsp; <u>Keiner der vorgegebenen Lösungsvorschlägen</u> ist richtig:
+
'''(5)'''&nbsp; <u>None of the given solutions</u>&nbsp; is correct:
*Ersetzt man in der Grafik zur Teilaufgabe&nbsp; '''(1)'''&nbsp; die Abtastfrequenz&nbsp; $f_{\rm A} = 11 \ \rm kHz$&nbsp; durch&nbsp; $f_{\rm A} = 10 \ \rm kHz$, so addieren sich zwar die Realteile, aber die Imaginärteile löschen sich aus.  
+
*If in the graph for the subtask&nbsp; '''(1)'''&nbsp; the sampling frequency&nbsp; f_{\rm A} = 11 \ \rm kHz&nbsp; is replaced by&nbsp; f_{\rm A} = 10 \ \rm kHz,&nbsp; the real parts add up,&nbsp; but the imaginary parts cancel out.  
*Das heißt, dass nun&nbsp; Q_{\rm A}(f)&nbsp; und&nbsp; V_3(f)&nbsp; reelle Spektren sind.&nbsp; Das heißt weiter: &nbsp;
+
*This means that now&nbsp; Q_{\rm A}(f)&nbsp; and&nbsp; V_3(f)&nbsp; are real spectra.&nbsp; This further means:  
*Die Phaseninformation geht verloren&nbsp; (φ = 0)&nbsp; und das Ausgangssignal&nbsp; v_3(t)&nbsp; ist ein Cosinussignal.  
+
*The phase information is lost&nbsp; (φ = 0)&nbsp; and the output signal&nbsp; v_3(t)&nbsp; is a cosine signal.  
*Die Signale&nbsp; q_3(t)&nbsp; und&nbsp; v_3(t)&nbsp; unterscheiden sich somit sowohl in der Amplitude als auch in der Phase. Lediglich die Frequenz bleibt erhalten.
+
*q_3(t)&nbsp; and&nbsp; v_3(t)&nbsp; thus differ in both amplitude and phase.&nbsp; Only the frequency remains the same.
  
  
Die Grafik zeigt
+
The graph shows
*türkisfarben das Signal&nbsp; q_3(t)&nbsp; und dessen Abtastwerte (Kreise) sowie
+
*turquoise the signal q_3(t)&nbsp; and its samples&nbsp; (circles),&nbsp; and
*rot gestrichelt das Ausgangssignal&nbsp; v_3(t)&nbsp; des Tiefpasses.  
+
*red dashed the output signal&nbsp; v_3(t)&nbsp; of the low-pass.  
  
  
Man erkennt, dass der Tiefpass genau das Ergebnis liefert, für das wahrscheinlich auch Sie sich entscheiden würden, wenn Sie durch die Abtastwerte (Kreise) einen Kurvenzug einzeichnen sollten.  
+
You can see that the low-pass gives exactly the result you would probably choose if you were to draw a curve through the samples&nbsp; (circles).  
  
  

Latest revision as of 12:28, 8 April 2022

Harmonic oscillations of different phase

The  sampling theorem  states that the sampling frequency  f_{\rm A} = 1/T_{\rm A}  must be at least twice as large as the largest frequency  f_\text {N, max}  contained in the source signal  q(t):

f_{\rm A} \ge 2 \cdot f_{\rm N,\hspace{0.05cm}max}\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} T_{\rm A} \le \frac{1}{2 \cdot f_{\rm N, \hspace{0.05cm}max}}\hspace{0.05cm}.

If this condition is met,  then at the receiver the message signal can be passed through a rectangular  (ideal)  low-pass filter with frequency response

H(f) = \left\{ \begin{array}{l} 1 \\ 1/2 \\ 0 \\ \end{array} \right.\quad \begin{array}{*{5}c}{\rm{f\ddot{u}r}} \\{\rm{f\ddot{u}r}} \\{\rm{f\ddot{u}r}} \\ \end{array}\begin{array}{*{10}c} {\hspace{0.04cm}\left| \hspace{0.005cm} f\hspace{0.05cm} \right| < f_{\rm G},} \\ {\hspace{0.04cm}\left| \hspace{0.005cm} f\hspace{0.05cm} \right| = f_{\rm G},} \\ {\hspace{0.04cm}\left| \hspace{0.005cm} f\hspace{0.05cm} \right| > f_{\rm G}} \\ \end{array}

can be completely reconstructed, that is, it is then  v(t) = q(t).

  • The cutoff frequency  f_{\rm G}  is to be chosen equal to half the sampling frequency.
  • The equal sign is generally valid only if the spectrum  Q(f)  does not contain a discrete spectral line at frequency  f_\text {N, max}.


In this exercise,  three different source signals are considered,  each of which can be expressed as a harmonic oscillation

q(t) = A \cdot \cos (2 \pi \cdot f_{\rm N} \cdot t - \varphi)

with amplitude  A = 1\ \rm V  and frequency  f_{\rm N}= 5 \ \rm kHz.  For the spectral function  Q(f)  of all represented time signals generally holds:

Q(f) = \frac{A}{2} \cdot \delta (f- f_{\rm N}) \cdot {\rm e}^{-{\rm j}\hspace{0.04cm}\cdot \hspace{0.04cm}\varphi}+ \frac{A}{2} \cdot \delta (f+ f_{\rm N}) \cdot {\rm e}^{+{\rm j}\hspace{0.04cm}\cdot \hspace{0.04cm}\varphi}\hspace{0.05cm}.

The oscillations sketched in the graph differ only by the phase  φ:

  • φ_1 = 0   ⇒   cosine signal  q_1(t),
  • φ_2 = π/2 \ (= 90^\circ)   ⇒   sinusoidal signal  q_2(t),
  • φ_3 = π/4 \ (= 45^\circ)   ⇒   signal  q_3(t).




Hints:

  • The exercise belongs to the chapter  "Pulse Code Modulation".
  • Reference is made in particular to the page  "Sampling and Signal Reconstruction".
  • The sampled source signal is denoted by  q_{\rm A}(t)  and its spectral function by  Q_{\rm A}(f)
  • Sampling is always performed at  ν \cdot T_{\rm A}.


Questions

1

Which statements are valid with  f_{\rm A} = 11\ \rm kHz?

The sampling theorem is always satisfied.
All signals can be reconstructed by a low-pass filter.
It is always true:  Q_{\rm A}(f = 5 \ {\rm kHz}) = Q(f = 5 \ \rm kHz).

2

What sampling distance results with  f_{\rm A} = 10\ \rm kHz?

T_{\rm A} \ = \

\ \rm ms

3

Which statements are valid for the signal  q_1(t)  and  f_{\rm A} = 10\ \rm kHz?

It holds  Q_{\rm A}(f = 5 \ {\rm kHz)} = Q_1(f = 5 \ \rm kHz).
A complete signal reconstruction is possible   ⇒   v_1(t) = q_1(t).
The reconstructed signal is  v_1(t) \equiv 0.

4

What statements hold for the signal  q_2(t)  and  f_{\rm A} = 10\ \rm kHz?

It holds  Q_{\rm A}(f = 5 \ {\rm kHz)} = Q_2(f = 5 \ \rm kHz).
A complete signal reconstruction is possible   ⇒   v_2(t) = q_2(t).
The reconstructed signal is  v_2(t) \equiv 0.

5

What statements hold for the signal  q_3(t) and f_{\rm A} = 10\ \rm kHz?

It holds  Q_{\rm A}(f = 5 \ {\rm kHz)} = Q_3(f = 5 \ \rm kHz).
A complete signal reconstruction is possible   ⇒   v_3(t) = q_3(t).
The reconstructed signal is  v_3(t) \equiv 0.


Solution

(1)  All statements  are true:

Spectral function of the sampled signal
  • The sampling theorem is satisfied by  f_{\rm A} = 11 \ \rm kHz > 2 \cdot 5 \ \rm kHz  so that a complete signal reconstruction is always possible.
  • The spectrum  Q_{\rm A}(f)  results from  Q(f)  by periodic continuation at the respective frequency spacing  f_{\rm A},  which is generally illustrated in the graph.
  • By a rectangular low-pass with  f_{\rm G} = f_{\rm A}/2 = 5.5 \ \rm kHz  the original spectrum  Q(f) is obtained.


The shift by

  • f_{\rm A} = 11 \ \rm kHz  yields the lines at  +6 \ \rm kHz  and  +16 \ \rm kHz,
  • -f_{\rm A} = -11 \ \rm kHz  yields the lines at  -6 \ \rm kHz  and  -16 \ \rm kHz,
  • 2 - f_{\rm A} = 22 \ \rm kHz  yields the lines at  +17 \ \rm kHz  and  +27 \ \rm kHz,
  • -2 - f_{\rm A}= -22 \ \rm kHz  yields the lines at  -17 \ \rm kHz, -27 \ \rm kHz.


(2)  The sampling distance is equal to the reciprocal of the sampling frequency:

T_{\rm A} = {1}/{f_{\rm A} }\hspace{0.15cm}\underline { = 0.1\,{\rm ms}} \hspace{0.05cm}.


(3)  The correct solution is  suggestion 2:

Spectral function of the sampled cosine signal
  • For the cosinusoidal signal,  according to this graph with  f_{\rm A} = 10 \rm \ kHz:  All spectral lines of  Q_{\rm A}(f):  are real.
  • The periodization of  Q(f)  with  f_{\rm A} = 10 \rm \ kHz  leads to a Dirac comb with spectral lines at  ±f_{\rm N}±f_{\rm N}± f_{\rm A}±f_{\rm N}± 2f_{\rm A}, . ..
  • Through the superpositions,  all Dirac functions have weight  A,  while the spectral lines of  Q(f)  are weighted only by  A/2  each.
  • Because  H(f = f_{\rm N}) = H(f = f_{\rm G}) = 0.5  the spectrum  V_1(f)  after the low-pass is identical to  Q_1(f)   ⇒   v_1(t) = q_1(t).
  • In the time domain, the signal reconstruction can be thought of as follows:   The samples of  q_1(t)  lie exactly at the signal maxima and minima.  
  • The lowpass filter forms the cosine signal with correct amplitude, frequency and phase.


Sampled sine signal

(4)  Correct is  suggested solution 2:

  • All sampled values of  q_2(t)  now lie exactly at the zero crossings of the sinusoidal signal,  which means that here  q_{\rm A}(t) \equiv 0  holds.  However,  this naturally also gives  v_2(t) \equiv 0.
  • In the spectral domain,  the result can be derived using the graph for subtask  (1)
    ⇒  Q(f)  is purely imaginary and the imaginary parts at  ±f_{\rm N}  have different signs.  
  • Thus,  one positive and one negative part cancel each other in periodization  
    ⇒   Q_{\rm A}(f) \equiv 0   ⇒   V_2(f) \equiv 0.


Sampled harmonic oscillation with phase  φ_3 = π/4

(5)  None of the given solutions  is correct:

  • If in the graph for the subtask  (1)  the sampling frequency  f_{\rm A} = 11 \ \rm kHz  is replaced by  f_{\rm A} = 10 \ \rm kHz,  the real parts add up,  but the imaginary parts cancel out.
  • This means that now  Q_{\rm A}(f)  and  V_3(f)  are real spectra.  This further means:
  • The phase information is lost  (φ = 0)  and the output signal  v_3(t)  is a cosine signal.
  • q_3(t)  and  v_3(t)  thus differ in both amplitude and phase.  Only the frequency remains the same.


The graph shows

  • turquoise the signal q_3(t)  and its samples  (circles),  and
  • red dashed the output signal  v_3(t)  of the low-pass.


You can see that the low-pass gives exactly the result you would probably choose if you were to draw a curve through the samples  (circles).